МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВО «КубГУ»)
Факультет компьютерных технологий и прикладной математики
Кафедра анализа данных и искусственного интеллекта
КУРСОВАЯ РАБОТА
3D МОДЕЛИРОВАНИЕ В ИГРОВЫХ ПРОГРАММАХ
Работу выполнил ____________________________________ К.Н. Скачедубов
(подпись)
Направление подготовки 09.03.03 Прикладная информатика
Направленность (профиль) Прикладная информатика в экономике
Научный руководитель
д-р. техн. наук, доц. __________________________________ А.В. Коваленко
(подпись)
Нормоконтролер
канд. физ.-мат. наук, доц. ______________________________ Г.В. Калайдина
(подпись)
Краснодар
2021
РЕФЕРАТ
Курсовая работа 27 страниц, 20 рисунков, 6 источников.
3D МОДЕЛИРОВАНИЕ, БЛОКИНГ, ИГРОВОЙ ДВИЖОК, 3D РЕДАКТОР, GAMEDEV, ТЕКСТУРИНГ, МОДИФИКАТОРЫ
Объект исследования – 3D моделирование элементов видеоигр для игровых программ.
Предмет исследования – игровые 3D модели и их особенности, трёхмерные графические редакторы.
Важность этой курсовой работы обусловлена тем, что на сегодняшний день существует большая потребность в специалистах в 3D моделировании во многих отраслях, в таких как телевидение, архитектура и в современных видеоиграх. Поскольку в России рынок молодых специалистов крайне ограничен, то есть необходимость в изучении рынка обучающих программ.
Целью работы является использование 3D моделирования элементов видеоигр для создания 3D модели кофейни.
В ходе работы был проведён сравнительный анализ нескольких графических 3D программ, ключевые моменты создания игровых 3D моделей, а также была создана 3D модель кофейни.
СОДЕРЖАНИЕ
Факультет компьютерных технологий и прикладной математики 1
Кафедра анализа данных и искусственного интеллекта 1
Работу выполнил ____________________________________ К.Н. Скачедубов 1
(подпись) 1
1
ВВЕДЕНИЕ 4
1Обзор редактора 3Ds Max 6
1.1Введение в 3Ds Max 6
1.2Сравнительный анализ графических трёхмерных редакторов 7
23Ds Max и его возможности 12
2.1Интерфейс программы 12
2.2 Основная панель 14
2.3 Окна проекции 14
2.4 Командная панель 15
2.5 Горячие клавиши 16
3 Создание 3D модели кофейни 18
3.1 Блокинг 18
3.2 Текстуринг 19
3.3 Модификаторы 20
3.4 Модель в модели 23
3.5 Сплайны 24
3.6 Итог 26
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27
Список использованных источников 28
ВВЕДЕНИЕ
Первые интерактивные электронные устройства, предназначенные специально для игр, и первые игровые программы для компьютеров были разработаны в США после Второй мировой войны. В 1948 году американские физики Томас Голдсмит-младший и Эстл Рей Манн запатентовали «развлекательное устройство на основе электронно-лучевой трубки», представлявшее собой электронный тир; более совершенным устройством был Tennis for Two (1958) – симулятор тенниса, созданный Уильямом Хигинботамом, сотрудником Брукхейвенской национальной лаборатории на базе осциллографа. Игровые программы создавались для первых компьютеров, изначально предназначенных для других целей: так, программа OXO (1952), имитирующая игру «крестики-нолики», была составлена для компьютера EDSAC британским учёным Александером Дугласом как часть его докторской диссертации в Кембриджском Университете.
С каждым годом увеличивалась сложность графики. И, в связи с этим, увеличивался размер групп разработчиков, так как нагрузка становилась всё выше и требовалось увеличение штата специалистов. Создавались первые программы 3D-моделирования, первые алгоритмы трассировки лучей для создания трёхмерной сцены и активно развивался полигональный метод моделирования трёхмерных объектов, который сейчас является основным . И всё это благодаря открытиям в области математики, сделанным в ХХ веке.
3D-моделирование – это процесс создания трёхмерной модели объекта. Задача 3D-моделирования – разработать визуальный объёмный образ желаемого объекта. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).
В настоящее время компьютерные игры вносят значительный вклад в мировую экономику ввиду большого успеха продаж игр вроде Grand Theft Auto V, которую в период с 2013 по 2018 года продали более 90 миллионов копий и заработав на этом более 6 миллиардов долларов. В качестве сравнения приведу в пример фильм «Аватар» Джеймса Кэмерона, который принёс ему всего 2,8 миллиарда долларов [1].
Актуальность этой курсовой работы обусловлена тем, что на сегодняшний день существует большая потребность в специалистах в 3D моделировании во многих отраслях, в таких как телевидение, архитектура и в современных видеоиграх. Поскольку в России рынок молодых специалистов крайне ограничен, то есть необходимость в изучении рынка обучающих программ.
Целью работы является использование 3D моделирования элементов видеоигр для создания 3D модели кофейни.
Данная цель обуславливает следующие задачи для исследования:
– Сделать обзор на редактор 3Ds Max, а также провести сравнительный анализ других графических редакторов;
– Изучить инструментарий редактора 3Ds Max;
– Создание 3D модели кофейни при помощи 3Ds Max путём стандартного моделирования.
Курсовая работа состоит из трех глав, введения, заключения, списка использованной литературы.
В первой главе курсовой работы подробно рассмотрены такие 3D редакторы, как Blender и Autodesk 3Ds Max.
Во второй главе рассмотрен интерфейс Autodesk 3Ds Max.
В третьей главе была создана 3D модель кофейни в Autodesk 3Ds Max.
В заключении подведён основной итог работы.
Обзор редактора 3Ds Max
Введение в 3Ds Max
3ds Max – редактор, который применяется для 3D-моделирования архитектурных визуализаций, в дизайне, рекламных роликах и геймдеве [2].
Autodesk 3ds Max – это один из самых мощных 3D-редакторов, которому под силу решать самые разнообразные задачи. Он по многим причинам считается программой архитекторов и дизайнеров интерьера, одна из которых – возможность качественного создания фотореалистичных визуализаций. Современный 3ds Max – это не только архвиз, но ещё и 3D-моделирование, качественная физика объектов на основе реальных законов физики, настройка анимации, система частиц и многое другое [2].
Основное направление программы – 3D-моделирование – моделирование на основе примитивов, сплайнов, полигональное моделирование, NURBS-кривые для моделирования сложных органических форм и так далее. 3D-визуализация также играет немаловажную роль – программа интегрирована с мощными системами рендеринга, такими как V-Ray, Mental Ray, Arnold и многими другими [2].
Отлично выполненная функция анимации может качественно оживить сцену. Помимо настройки анимации объектов, можно создавать всевозможные эффекты на основе движения частиц: дым, дождь, огонь, симуляцию ткани и многое другое.
Где применяется 3Ds Max [2]:
– 3D-моделирование, визуализация и презентация архитектурных сооружений;
– Дизайн, 3D-моделирование и визуализация интерьеров;
– 3D-моделирование мебели и предметов интерьера;
– Киноиндустрия и спецэффекты;
– В рекламе – создание рекламных роликов;
– Веб-дизайн и сайтостроение;
– Геймдев – локации и персонажи для компьютерных игр.
Сравнительный анализ графических трёхмерных редакторов
Всевозможные приложения, используемые для создания трёхмерной графики, можно разделить на следующие группы:
– Программы для цифрового скульптинга (Pixologic ZBrush, Autodesk Mudbox); [3]
– Игровые движки (Unreal Engine 5, Unity , CryEngine );
– Узкоспециализированные приложения, которые выполняют определенные задачи: анимация жидкостей – RealFlow, создание текстур – Mari и др. [3];
– Универсальные 3D редакторы (3Ds Max, Maya, Blender и т.д.).
Разберём более детально последнюю группу.
Autodesk Maya – редактор трёхмерной графики, доступный на Windows, macOS и Linux. Maya обладает широкой функциональностью 3D-анимации, моделирования и визуализации. Программу используют для создания анимации, сред, графики движения, виртуальной реальности и персонажей. Широко применяется в кинематографии, телевидении и игровой индустрии. Изначально разработан Alias Systems Corporation, а затем выкуплен Autodesk, Inc.
В первую очередь – Autodesk Maya мощное оружие 3D аниматоров, работников киноиндустрии и телевидения. Maya ценится за огромный набор инструментов для анимации, текстурирования, а также создания разнообразных спецэффектов. Это серьёзный редактор трёхмерной графики, широко применяемый в профессиональных кругах. В ней грамотно реализована функция визуализации готовых моделей: программа оснащена четырьмя встроенными визуализаторами, к тому же есть возможность установки различных плагинов, в том числе V-Ray [4](Рисунок 1).
Рисунок 1 – Динамика твёрдых и мягких тел в программе Autodesk Maya
Autodesk Maya оснащена разноплановыми инструментами для качественной и удобной работы с трёхмерной графикой. В ней можно найти все, что угодно требовательному моделлёру, а также подобрать собственный алгоритм действий. Короткий перечень того, что предлагает приложение:
– Работа с кривыми, в том числе NURBS;
– Полигональное моделирование, возможность ретопологии;
– Несколько способов наложения материалов, текстур, а также удобный UV-маппинг (развертка);
– В версии Autodesk Maya 2016 имеются инструменты для скульптинга, подобные кистям ZBrush. Причем скульптинг здесь применим также для моделирования простого ландшафта [4];
– Ряд инструментов для создания анимации высокого качества. Есть возможность проанимировать даже отдельную прядь волос;
– Динамика твёрдых и мягких тел;
– Уникальные инструменты для создания реалистичных волос и шерсти;
– Симуляция жидкости;
– Создание спецэффектов (дым, облака, атмосферные эффекты);
– Визуализация как с помощью встроенных инструментов, так и дополнительных плагинов. К примеру, плагин V-Ray позволяет добиться фотореалистичной визуализации [4].
Обучение в этой программе очень сложное. Что, впрочем, не мешает массе энтузиастов изучать Autodesk Maya самостоятельно и добиваться значительных успехов. Всемирная сеть предлагает достаточно бесплатных обучающих материалов в текстовом, а также видео-формате. Единственным препятствием может стать тот факт, что большая часть из них на английском языке. Но желающим стать настоящими профессионалами 3D моделирования это не станет помехой. Тем более, что английский сегодня многие знают на достаточном уровне, чтобы усвоить простые инструкции.
Blender – это бесплатное программное обеспечение для создания и редактирования трёхмерной графики. Ввиду кроссплатформенности, открытого исходного кода, доступности и функциональности пакет получил заслуженную известность не только среди новичков, но и среди продвинутых 3D-моделеров. По мере развития программы её выбирают в качестве рабочего инструмента для все более серьёзных проектов, что неудивительно. По сути, это приложение практически не уступает по количеству возможностей и функционалу более продвинутым пакетам 3D графики. И при этом все бесплатно [5] (Рисунок 2).
Рисунок 2 – Пример работы в Blender
Blender позиционируется как приложение для создания и редактирования трехмерной графики, визуализации, анимации, создания компьютерных игр и даже скульптинга. Вполне серьезная программа, для которой требуются серьезные ресурсы аппаратного обеспечения. Важно отметить, что вес установочных файлов составляет около 70 Мбайт. Это очень мало для программного обеспечения такого уровня. Тем не менее, разработчики умудрились снабдить программу всеми необходимыми функциями, которые полноценно функционируют и демонстрируют отличную производительность. Дополнительным преимуществом является стабильное и стремительное развитие пакета благодаря профессиональной команде разработчиков. Короткий перечень того, что предлагает приложение [4]:
– 3D моделирование.
– Анимация.
– Текстурирование и наборы шейдеров.
– Возможность рисования
– Визуализация.
– Базовый видеоредактор.
– Игровой движок.
В завершение стоит отметить, что, несмотря на открытый исходный код и полную доступность приложения, Blender является достаточно мощным 3D редактором, который активно развивается. Конечно, пока он не может тягаться с профессиональными программами для 3D моделирования. Однако даже сейчас он представляет собой отличную альтернативу дорогостоящим приложениям и вполне справляется с поставленными задачами. Blender – это прекрасный вариант для новичков в 3D моделировании, а также для тех, кто не намерен превращать компьютерную графику в источник дохода и намерен творить для себя [5].
3Ds Max и его возможности
После того как вы установили и запустили программу, у вас на экране появится приветственный экран, который в нескольких слайдах покажет некоторые возможности графического пакета. Также, если вы не желаете при каждом запуске тратить время на закрытие этого экрана, то слева снизу нужно убрать галочку возле надписи Show this Welcome Screen at Startup (Показать этот экран приветствия при запуске) (Рисунок 3).
Рисунок 3 – Приветственный экран 3Ds Max
Интерфейс программы
Давайте рассмотрим, из каких аспектов состоит интерфейс программы (Рисунок 4):
Рисунок 4 – Интерфейс 3Ds Max
Главное меню.
Основная панель инструментов.
Окна проекции.
Командная панель.
Time Slider (шкала времени).
Панель для ввода команд встроенного языка 3ds Max — MaxScript.
Панель координат объектов.
Панель управления анимацией.
Панель навигации — позволяет управлять сценами во всех окнах проекции: приближать, отдалять и вращать объекты.
Теперь разберём эти панели подробнее и рассмотрим, что с их помощью можно сделать и как они настраиваются.
2.2 Основная панель
Основная панель находится под главным меню. Здесь находятся кнопки быстрого доступа к самым нужным, по мнению разработчиков, функциям программы. При наведении указателя мыши на нужную кнопку появится подсказка с описанием функций этой кнопки. В случае, если нужно добавить какие-то инструменты, вы можете это сделать, просто перетащив нужный инструмент на основную панель (Рисунок 5).
Рисунок 5 – Основная панель инструментов
2.3 Окна проекции
Окна проекций занимают очень большую часть интерфейса программы. При запуске программы вам будут доступны четыре вида отображения проекции – Вид сверху (Top), Фронтальный вид (Front), Вид слева (Left), Перспектива (Perspective). В контекстном меню вы можете как включить, так и отключить ненужные вам окна (Рисунок 6).
Рисунок 6 – Окна проекции
Также надо уделить внимание тому, что напротив каждого пункта выбора проекции написаны горячие клавиши, которые сильно экономят время при создании 3D моделей.
2.4 Командная панель
Обычно, командная панель по расположена справа от окон проекции (Рисунок 7). Она нужна для создания таких объектов как куб, конус, сфера, пирамида, а также работы и модификации объектов. На панели есть шесть вкладок – Create, Modify, Hierarchy, Motion, Display, Utilities. Каждая вкладка имеет дополнительные вкладки и свитки с настройками.
Рисунок 7 – Командная панель
2.5 Горячие клавиши
Горячие клавиши – это комбинация клавиш на клавиатуре, нажатие на которые позволяет выполнять различные действия, не используя мышь и не вызывая меню действий. (Рисунок 8) Их ещё называют сочетания клавиш, быстрые клавиши или клавиши быстрого доступа.
И конечно же, 3ds max не обошлась и без них:
Ctrl + Z – отмена действия
Ctrl + Y – возврат отменённого действия
Q – режим выделения объектов (повторное нажатие – смена области выделения)
H – выделение объектов по имени
W – режим перемещения объектов
E – режим вращения объектов
R – режим масштабирования объектов
Рисунок 8 – Горячие клавиши и за что они отвечают
Создание 3D модели кофейни
3.1 Блокинг
Кофейня, которая будет спроектирована, была не придуманным концептом кофейни, а была «срисована» с действительно существующей кофейни в Италии, Риме. Так что перейдём сразу к блокингу.
Блокинг – это одна из техник 3D моделирования, при которой создаются наиболее важные для модели детали, чтобы выставить расположение персонажа или объекта в пространстве и обозначить, как она будет находиться на сцене. (Рисунок 9) Эта техника используется на ранней стадии процесса 3D моделирования. Зачастую блокинг – это первый этап в создании 3D модели [6].
Рисунок 9 – Блокинг версия кофейни
Чем точнее будут переданы основные детали модели на этапе блокинга, тем легче будет идти работы над моделью в будущем.
Так же стоит отметить один «плюс» 3Ds Max перед другими программами, а именно цветовое обозначение блоков. Как можно увидеть, каждый блок имеет свой цвет, что очень сильно облегчает работу на моделью на начальных этапах, поскольку за частую обычные, белые блоки, при их большом количестве, начинают сливаться друг с другом и это мешает процессу создания модели.
3.2 Текстуринг
Текстуринг – это создание текстур (фактуры, рисунка, мелкого объёма, цвета) на виртуальной 3D модели. На данном этапе каждый блок, каждый сегмент 3D модели начинает приобретать свою истинную форму, истинный вид. Если этап блокинга для такой кофейни занимает 10 минут на создание, то этап текстуринга будет занимать в разы больше времени. Всё зависит от сложности модели и опыта 3D моделиста.
В основном, для создания подобных кофейни, в реальной жизни понадобились бы такие материалы, как пластик, стекло, сталь, возможно дерево (всё зависит от стиля заведения) и так далее. Но поскольку мы не строим здание, а всего лишь создаём образ этого здания, то можно обойтись лишь такими материалами, которые человек видит, впервые смотря на здание, то есть пластик и стекло
Рисунок 10 – Текстуринг версия кофейни
Рисунок 11 – Текстуринг версия кофейни с другого ракурса
3.3 Модификаторы
Как можно заметить на Рисунок 10 и Рисунок 11, в модели есть такие предметы, как витрина (Рисунок 12), наполненная различной выпечкой (Рисунок 14), (Рисунок 15), кофемашина (Рисунок 16), стаканчики (Рисунок 13). Они не имеют ровных граней. Для создания подобных моделей используют модификаторы.
Во время работы в 3ds Max активно используют модификаторы – встроенные в программу опции, с помощью которых можно выполнять действия над объектом (выделить, повернуть, деформировать и так далее) или назначить ему определённые свойства. Без использования одних невозможно создавать сцену вообще, а другие действуют как вспомогательные функции, например автоматически создают разные эффекты, ускоряют процесс рендеринга или уменьшают вес объекта.
Для преобладающего большинства объектов в модели используется такой модификатор как Chamfer, который позволяет сгладить или скруглить углы объекта
Рисунок 12 – Витрина
Рисунок 13 – Стаканчик из-под кофе
Рисунок 14 – Пончики
Рисунок 15 – Кусок торта
3.4 Модель в модели
Зачастую, для создания больших и проработанных 3D моделей, приходится работать с незначительными, но крайне важными для общей картины модели объектами, как кофемашина (Рисунок 16).
Рисунок 16 – Кофемашина
Для создания объектов, у которых большое количество маленьких и проработанных деталей, приходится создавать отдельные файл с тем или иным объектом. Так и вышло с этой кофемашиной.
3.5 Сплайны
Благодаря росту мощности процессоров и графических адаптеров, в графических программах наблюдается переход с полигонов на сплайны, и на данный момент уже существуют программы, абсолютно не поддерживающие полигональное моделирование. Тем не менее, благодаря огромной популярности трёхмерных игр реального времени, полигональному моделированию было воздано по заслугам, поэтому многофункциональные средства редактирования полигонов постепенно преобразовываются в инструменты для работы со сплайнами.
Сплайн – это линия (кривая, ломанная). Сами по себе сплайны не отображаются при визуализации, а служат вспомогательными средствами.
Сплайны бывают нескольких видов (Рисунок 17)
Рисунок 17 – Виды сплайнов
Для создания крайне сложных объектов, объёмных текстов, за частую, используют эти самые сплайны. Так и случилось с вывеской кофейни (Рисунок 18).
Рисунок 18 – вывеска «JuanValdez Cafe»
3.6 Итог
Итого, проделав всю вышеперечисленную работу, вышла вот такая 3D модель кофейни.
Рисунок 19 – Итоговый вариант кофейни
Рисунок 20 – Итоговый вариант кофейни с другой стороны
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе работы были изучены возможности трёхмерного редактора 3Ds Max, был выполнен сравнительный анализ нескольких графических 3D пакетов, на основании которого был сделан вывод, что технологии моделирования при помощи 3Ds Max являются актуальными для создания элементов видеоигр.
Был изучен ряд ключевых моментов создания элементов видеоигр посредством 3D моделирования, а также были созданы 3D модели кофейни, кофемашины, тортика и пончиков, которые были разработаны в среде Autodesk 3ds Max.
Список использованных источников
Vgtimes.ru URL https://vgtimes.ru/news/77323-stalo-izvestno-kakim-tirazhom-razoshlas-gta-5-i-vsya-seriya-grand-theft-auto.html (дата обращения 19.12.2021)
Skillbox.ru 3Ds Max. Часть 1 URL https://skillbox.ru/media/design/3ds_max_chast_1_znakomstvo_s_interfeysom/ (дата обращения 19.12.2021)
Арт-Элемент Обзор самых популярных 3D редакторов URL https://vk.com/wall-61285193_48044 (дата обращения 19.12.2021)
3D Device Краткий обзор программы Autodesk Maya URL https://3ddevice.com.ua/blog/3d-printer-obzory/autodesk-maya-obzor/ (дата обращения 19.12.2021)
GoGame Blender. Обзор возможностей бесплатного 3D-редактораURL https://vk.com/@gogameschool-blender-obzor-vozmozhnostei-besplatnogo-3d-redaktora (дата обращения 19.12.2021)
Polygon.by Общие термины в 3D анимации URL https://polygon.by/common-terminology-for-3d-animation/#: :text=Блокинг%20—%20это%20одна%20из%20техник,помогает%20рассказать%20“историю”%20анимации (дата обращения 19.12.2021)
|
Скачать 1.81 Mb.